Biodigestión y codigestión (de lodos) en PTAR de oct... · 2018-10-17 · 1. Introducción -...
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Biodigestión y codigestión (de lodos) en PTAR: oportunidades ambientales y económicas
Ing. Sebastian RosenfeldtRotária do BrasilGerente de Proyectos
Contenido
1. Introducción - Ventajas del uso de tecnologíasanaerobias
2. Procesos de generación de biogás en PTARs - UASB y Digestor de lodo
3. Composición de biogás generado en PTARs
4. Formas de aprovechamiento energético de biogás en PTAR
5. Uso del biogás en Alemania y Brasil
6. Sistema clásico de aprovechamiento
7. Viabilidad económica – Un caso de Brasil
8. Oportunidades y desafíos – Un caso de Perú
9. Consideraciones Finales
• Reducción de la demanda de energía para tratamiento de aguas residuales y lodos
– Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero referente a la generación de electricidad
– Potencial de aprovechamiento energético de biogás
• Reducción de costos de operación
• Intensificación de la atención a la operación del sistema como un todo, mejorando así del tratamiento de aguas residuales,
Introducción
Ventajas del uso de tecnologias anaerobias
Protección de los cuerpos hídricos
Ampliación de la cobertura de tratamiento de AR
Protección del clima
Aumento de eficiencia energética
Captación de biogás
Aprovechamiento de biogás
Aumento de “eficiencia financiera”
Mejora del tratamiento de aguas residuales
Procesos de generación de biogás en PTARs
• Todas las aguas residuales pasan por el reactor
• Sin equipos electromecanicos
• Uso común para tratamiento de aguas residuales domésticas en Brasil e India
– Para efluentes industriales en todo el mundo
Pre-Tratamiento
Reactor UASB
Tanque de Aireación
Decantador Secundario
Recirculación de lodo
Lodo mixto excedente
continúa su deshidratación y disposición final
Efluente descarga a cuerpo receptor
Lodo aerobio excedente
Quemador
Reactor UASB
Lodo excedente
Procesos de generación de biogás en PTARs
• Solo la fase sólida pasa por el reactor anaerobio
• Uso común en PTAR de países más fríos
• Posibilidad de co-digestión
Pre-Tratamiento
Decantador Primario
Tanque de Aireación
Decantador Secundario
Recirculación de lodo
Lodo continúa deshidratación y disposición final
Efluente descarga a cuerpo receptor
Lodo excedente
Quemador
Digestor de lodo
Composición de biogás generado en PTARs
Componente UnidadBiogás de tratamiento anaerobio de
aguas residuales
Biogás de tratamiento anaerobio de
lodo
Sulfuro de hidrógeno (H2S) ppm 1,000 a 5,000 500 – 1,500
Humidad relativa % 90 – 100 90 – 100
Contenido de oxígeno (O2) % em vol. 0 – 2 0 – 1
Metano (CH4) % em vol. 60 – 85 60 – 70
Dióxido de carbono (CO2) % em vol. 5– 15 20 – 40
Nitrógeno (N2) % em vol. 2– 25* 0 – 2
Poder calorífico inferior (PCI) kWh/Nm3 6.0 – 8.5 6.0 – 7.0
Índice de Wobbe kWh/Nm3 7.0 – 13.4 7.0 – 9.1
Formas de aprovechamientode biogás
Biogás
Energía Química
Motores a gas (Otto e Diesel) estacionarios con generador
Energía TérmicaEnergía EléctricaEnergía
Mecánica
Máquinas rotativas a gas
Inyección a la red de gas natural
Combustible para vehículos
Aprovechamiento por terceros
Energía Eléctrica +
Energía Térmica
Caldera a gas
Secador de lodo
Microturbinas a gas
Células de combustible
Motores a gas (Otto e Diesel) estacionarios con generador
Caldera a gas
Secador de lodo
• Aprovechamiento de biogás en PTARs es estado de arte en el exterior
– Generación de 1,291 GWhelétrico en 2013 en Alemania
– 90 % de energía de biogás es utilizada para generación de electricidad e 10 % para energía térmica
– Hay PTAR con población de 15,000 contribuyentes y sistema de aprovechamiento de biogás
– No permite conclusiones referente a viabilidad económica en México
Uso del biogás en Alemania
Autosuficiencia de 43.9 %
• Tratamiento anaerobio de lodo de esgoto muy difundido en Brasil
– Potencial reducción de emisiones de biogásdifusas gana atención.
– Potencial económico del biogás como fuente de energía
– Potencial de generación de 118.2 GWh por año en Brasil
– Solo hay pocos proyectos (demonstrativos)
Uso del biogás en Brasil
(CHERNICHARO et al., 2017)
PTAR Arrudas PTAR Arrudas PTAR Ribeirão Preto
Sistema de aprovechamiento de biogás
Tratamiento Anaerobio
Gasómetro con biodesulfurización
Enfriador de biogásFiltro de carbono
activado
Quemador
Unidad motor-generador
Precisa ser analizada para cada nuevo proyecto!
Viabilidad económica del uso de biogás
• Número de contribuyentes
• Contribución per cápita
• Eficiencia de remoción de la carga orgánica
Carga orgánica afluente al sistema
• Producción específica de biogás
• Concentración de CH4
• En reactores UASB la pérdida de biogás
Producción de biogás en el proceso
• Eficiencia eléctrica y/o térmica del equipo
• Disponibilidad técnica
• Funcionamiento continuo o en horario de tarifa punta
Transformación energética
• Vida útil de los equipos
• Tasa de interés real
• Tasa cambial
Cálculo da viabilidad
• Investigación de cantidad y calidad de biogás producido en reactor UASB
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Vo
lum
e d
e b
iogá
s d
iári
o (
Nm
³)
Caudal médio = 563 m3/d
36 % de la cantidad de metano esperado
Escape de biogás por el compartimento de decantación del reactor UASB
Tiempo de operacióndel motor-generador reducido
Caso UASB en BrasilResultados operacionales
• Levantamiento de costos reales de la adquisición, importación e instalación del sistema de aprovechamiento de biogás
Caso UASB en BrasilResultados operacionales
USD 0.159 / kWh
• Ingreso (beneficio) calculado con base en de la producción de energía eléctrica -> Costo evitado
– Considerando la tarifa incidente en la unidad
• Con posibles descuentos
• Considerando los impuestos
• Considerando producción continua de energía eléctrica
h 8,760
Th 780Th 7,980T
pfp 0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 2.000 4.000 6.000 8.000Ta
rifa
me
dia
po
nd
era
da
(USD
/kW
h)
Tiempo de Funcionamiento del motor-generador en h
Caso UASB en BrasilResultados operacionales
Taxa cambial mínima durante o projeto
Tasa cambial media de las adquisiciones
Tasa cambial máxima durante el proyecto
Tasa cambial de equilibrio
• Generación de electricidad correspondiente a 56 % hasta 78 % de la demanda de la PTAR
• Potencial de aumento con mejorías operacionales y constructivas
• TIR de 19.75 % en el escenario base
Caso UASB en BrasilViabilidad económica
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
5,50
2012 2013 2014 2015 2016 2017
Tasa d
e c
am
bio
-R
$ /
EU
RO
Tasa cambial mínima durante el proyecto
Análisis de sensibilidad
• Desarrollo de instrumento para análisis simples y comparativa de viabilidad económica
– Para varios procesos de tratamiento de aguas residuales
– Para uso do biogás generado para fin de producción de energía eléctrica con planta termoeléctrica
• Aplicable para proyectos en Brasil, México, Nicaragua e Perú
• Direccionado para:
– Prestadores de servicio de saneamiento
– Instituciones que elaboran e promueven as políticas de saneamiento
– Otras instituciones involucrados directamente con o tema biogás
– Proyectistas de PTARs.
Instrumento de Cálculo de viabilidad económica para proyectos de biogás en PTARs
• Generalidades
– Verificación de la hermeticidad de las tuberías y equipos
– Verificación de la seguridad
• Alimentación
– Distribuido durante el día
• Monitoreo
– Caudales de lodo y biogás
– Temperaturas
– Alcalinidad total, ácidos grasos volátiles e el pH del lodo
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás –Control operacional
• Diseño del sistema de aprovechamiento con base en cantidad y calidad de biogás
– Evaluación de plausibilidad considerando substrato
– Considerando variaciones durante el año
• Evaluar oferta y demanda
– Considerando variaciones durante el día
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás
Energía total disponible en el biogás
3
PMMCH4,PMMd,DL,biogástotal, kWh/m 9.968CQE
Demanda de energia elétrica
Demanda de energia térmica
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás - Evaluación de plausibilidad
• PTAR San Jerónimo (Cusco/Perú) presentaba producción de biogás debajo de lo esperado
• Análisis demostraba deficiencia de mezcla y perfil térmico desfavorable en el Digestor Anaerobio
• EPS SEDACUSCO mejoró distribución de lodos calentados
dhab
L 14.1
hab 240,4788
/dNm 3,465
dhabg 60CA
Q
POP
Qe
3
-1-1
DBOaDBO,
PMAd,DL,PMAd,DL,
POBDL,
Modo de operación del tratamiento
biológico
Carga orgánica específica en la entrada de
lodos activados [gDBO5/(hab·d)]
Tasa de producción de biogás especifica
esperada [l/(hab·d)]
Edad del lodo (TA) tSS = 8 d 35 16.5 – 25
Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 35 14.5 – 22
Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 48 10.5 – 15.9
Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 60 6.2 – 9.4
Sistema de lodos activados en aireación
extendida con tSS = 25 d 60 3.5 – 5.3
Guía técnico DWA-M 363 - Origen, Tratamiento e Utilización de Biogás - (2010)
)/(kgNm 89.0 /dkg 3,875
/dNm 3,465
CACA
Q
CA
Qe removSV,
3
removSV,
3
salida SV,ingreso SV,
PMAd,DL,
digeridosSV
PMAd,DL,
digeridosSV DL,
Valores típicos na entre 0.80 y 1.10 Nm3/kgSV conforme Andreoli et al. (2001)
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás -Evaluación de plausibilidad
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov dic
Ener
gía
en
kW
h/d
Demanda de energía eléctrica Demanda de energía térmica Energía Disponible
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás -Evaluar oferta y demanda
• Grado de autosuficiencia eléctrica entre 79 y 98 %
• Grado de autosuficiencia térmica entre 95 y 127 %
• Co-digestión
– Volumen de diseño de digestores de lodo es limitado hidráulicamente
– Carga orgánica volumétrica no llega al límite -> potencial de adicionar substratos con mayor “densidad energética”, p.e. residuos de mercado, agricultura, residuos de caja de grasa
– Ventajas:
• Optimizar la composición del substrato y así las condiciones técnicas del proceso (relación C:N > 15, ajuste pH, etc.)
• Aumento de producción de biogás en 40 a 200 %
– Cuidados:
• Evitar inhibiciones por substratos incompatibles -> realizar análisis antes
• Equipos importados
– Posible dificultad de mantenimiento
– Complexidad de importación
– Dificultad en caso de necesidad de sustitución
Oportunidades y desafíos para el uso de biogás
• Uso del biogás para generación de energía eléctrica puede ser viable
• Incentivo para la captación de un gas contaminante
• Aumento de la oferta de energía producida
• Alivio de la red de distribución de energía eléctrica
• Ahorro de los costos operacionales con energía eléctrica, liberando recursos para inversiones que permiten el aumento de la cobertura de atención de servicios de colecta y tratamiento de aguas residuales
• Mejora del tratamiento de aguas residuales, por intensificación da atención a la operación del sistema como un todo
• Diseño del sistema de aprovechamiento con base en el levantamiento de cantidad y calidad !!!
Consideraciones Finales
GraciasEng° Sebastian Rosenfeldt
(48) 3234 3164 [email protected]